1、水声通信原理水声通信原理 西北工业大学航海学院西北工业大学航海学院 2012年年4月月第一讲 绪论n1.1 通信系统的组成通信系统的组成n1.2 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式 n1.3 通信系统性能度量通信系统性能度量 n1.4 通信发展趋势通信发展趋势1.1 通信系统的组成通信系统的组成消息传递的方式或信息交流的手段：消息传递的方式或信息交流的手段：古代的消息树 烽火台和驿马传令 现代社会的文字、书信、电报、电话、广播、电视、遥控、遥测等语言、文字、数据或图像，本身不是信息而是消息信息信息是消息中所包含的人们是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容原来不知而待知的内容通信的根
2、本目的通信的根本目的：传输含有信息的消息，否则，就失去了通信的意义。“通信通信”也就是也就是“信息传输信息传输”或或“消息传输消息传输”。实现通信的方式很多，随着社会的需求、生产力的发展和科学技术的进步目前的通信越来越依赖利用“电”来传递消息的电通信方式。光通信、声通信1.1.1通信系统的一般模型通信系统的一般模型通信是从一地向另一地传递和交换信息。通信是从一地向另一地传递和交换信息。实现信息传递所需的一切技术实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为设备和传输媒质的总和称为通信系统通信系统。基于点与点之间的通信系统的模型可用图 1-1 来描述。通信系统的一般模型通信系统的一般模型根据
3、研究的对象以及所关注的问题不同，模型中的各小方框的内容和作用将有所不同，因而相应有不同形式的更具体的通信模型。（1）信源是消息的产生地，是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。称之为消息信号或基带信号。模拟信源：电话机、电视摄像机数字信源：电传机、计算机等各种数字终端设备（2）发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统来说，发
4、送设备常常又可分为信源编码与信道编码。（3）信道：是指传输信号的物理媒质。是指传输信号的物理媒质。无线信道：大气（自由空间）、海水等有线信道：明线、电缆、光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。（4）噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，分为内部噪声和外部噪声外部噪声：从信道引入的噪声源视为各处噪声的集
5、中表现而抽象加入到信道。噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。（5）接收设备：完成发送设备的反变换，完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。即进行解调、译码、解码等。从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。（6）信宿：是传输信息的归宿点，是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。1.1.2 模拟通信模型和数字通信模型模拟通信模型和数字通信模型信源发出的消息虽然有多种形式，但可分为两大类：连续消息：是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等。离
6、散消息：则是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类：模拟信号：凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号；数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。10 011 0 111 00 1Of(nT)t00111001数字信息PSK波形(a)(b)Of(t)t(a)f(nT)tPAM信号(b
7、)O按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为：n模拟通信系统模拟通信系统n数字通信系统数字通信系统 模拟通信系统基带信号基带信号变换成其频带信号以适合在信道中传输频带信号频带信号有三个基本特征：携带有信息；适合在信道中传输；信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而称为频带信号。频带信号。数字通信系统1)信源编码与译码（第5、6、7章）信源编码的作用 数据压缩：设法减少码元数目和降低码元速率。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。模数转换：当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源译码
8、是信源编码的逆过程。信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源2）信道编码与译码：信道编码与译码：提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信（第（第11、12章）章）数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。信道编码：信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓成所谓“抗干扰编码抗干扰编码”。信道解码：接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。
9、3）加密与解密加密与解密 加密：为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码的处理过程 解密：在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息。4）数字调制与解调（第数字调制与解调（第10章）章）数字调制：就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。数字解调：相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。数字调制是本课程的重点内容之一。5）同步与数字复接 同步是保证数字通
10、信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为：载波同步位同步群同步网同步 数字复接：就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输（第数字信号的基带传输（第9章），章），其模型中就不包括调制其模型中就不包括调制与解调环节与解调环节模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输1.1.3.数字通信的主要特点数字通信的
11、主要特点（1）抗干扰能力强。（2）差错可控。可以采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的可靠性。（3）易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。（4）易于集成化，从而使通信设备微型化。（5）易于加密处理，且保密强度高。数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。一路模拟电话通常只占据4kHz带宽，一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据 2060kHz的带宽1.2通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式1.2.1 通信系统的分类通信系统的分类1 按通信业务分类按通信业务分类：话务通信、非话务通信2 按调制方式分类：按调制
12、方式分类：基带传输、调制传输。基带传输、调制传输。P5表表1-13 按信号特征分类：按信号特征分类：模拟通信系统、数字通信系统4 按传输媒质分类：按传输媒质分类：有线通信系统：同轴电缆、光导纤维、波导等 无线通信系统：短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继、FSO、水声通信等5 按工作波段分类：按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信、远红外线通信等 P5表表1-2;波长波长=速度速度/频率频率6 按信号复用方式分类按信号复用方式分类 频分复用、时分复用和码分复用1.2.2通信方式通信方式1 按消息传递的方向与时间关系分：按消息传递的方向与时间关系分：单工、半双工及全双工发端信 道收端发端
13、信 道收端发端收端(a)(b)发端信 道收端发端收端信 道(c)(a)单工；(b)半双工；(c)全双工2 按数字信号排列顺序分：按数字信号排列顺序分：并行传输：代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。节省传输时间，设备复杂，成本高，适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。串行传输：数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。（远距离数字通信）发送设备接收设备101(b)发送设备接收设备(a)1.3 通信系统性能度量通信系统性能度量 评价一个通信系统优劣的主要性能指标：评价一个通信系统优劣的主要性能指标：有效性：给定信道内所传输的信息内容的
14、多少，或传输的有效性：给定信道内所传输的信息内容的多少，或传输的“速度速度”问题。可靠性：接收信息的准确程度，也就是传输的可靠性：接收信息的准确程度，也就是传输的“质量质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。现代社会要求频带内传输的信息内容越多，但同时频率又越来越紧张。模拟通信系统：有效性有效性：可用有效传输频带有效传输频带来度量；n同样的消息采用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性可靠性：用接收端最终输出信噪比输出信噪比来度量。n不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。n如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。
15、数字通信系统：有效性有效性可用传输速率传输速率来衡量。用比特率（比特/秒）做单位（bits/s，bps），多进制传输可靠性可靠性可用差错率差错率来衡量。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关 只与传输的码元长度T有关。信息传输速率信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。表示单位时间内传递的平均信息量或比特数 单位是比特/秒，可记为bit/s，或 b/s，或bps。1.3.1传输速率传输速率码元传输速率码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud）1(Baud)BRT 每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量 Rb=RBH(b
16、/s)H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）等概传输时，熵有最大值log2M，信息速率也达到最大Rb=RB log2 M(b/s)M为符号的进制数 例如：码元速率为1200 Baud 采用八进制（M=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（M=2）时，信息速率为1200b/sep 错误码元数传输总码元数bp错误比特数数传输总比特数=1.3.2 差错率差错率 常用常用误码率误码率和和误信率（误比特率）误信率（误比特率）表示：表示：1.4 通信发展趋势通信发展趋势p69 单波长光通信系统速率已达单波长光通信系统速率已达10 Gb/s 美国AT&T实验室等机构已成功地完成了Tb/s的传输实验。第三代移动通信技术3G中包括的WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA。WCDMA（联通）、CDMA 2000（电信天翼）是由美国高通公司研制开发的，而TD-SCDMA（移动）是由大唐进行研发的。课程内容n第二章 信息论初步n第三章 模拟线性调制n第四章 模拟角调制n第五八章 信源编码n第九章 数字信号的基带传输n第十章 数字信号的载波传输n第十章 差错控制编码n第十一章 同步原理参考教材n曹志刚.现代通信原理.清华大学出版社n樊昌信.通信原理.国防工业出版社
